高分子材料的结构和力学特性与材料力学试验机设计

一．高分子材料的结构和力学特性
1．高分子材料结构的特点
从化学结构来看，高分子材料有与金属、无机非金属材料相同的，即也是通过化学键将原子或离子连接在一起构成分子的，但与金属、无机非金属材料有突出的差别：其一，高分子的分子量相当大，一般呈长、径比极其悬殊的长链状，有的还带有支链，还有一些高分子呈星形、梯形、螺构形、树形等；其二，一般的合成高分子，也有一些天然高分子，分子量是不均一的，其大小呈一定类型、一定宽度的分布；其三，化学结构复杂、多变。如聚氯乙烯（PVC），高分子一定全是氯乙烯单体单元键接构成的，中间可能有“杂结构”；将氯乙烯单体单元带氯原子的一端叫“头”，另一端叫“尾”，键接成高分子链时不一定全是头－尾、头－尾键接，还可能有头－头、尾－尾键接。正是由于化学结构的特殊性，也带来分子聚集态结构的一些特殊性。从高分子的聚集态结构来看，高分子材料有与金属、无机非金属材料相同的，如都有结
晶态、非结晶态等，但还有非常显著的特殊性：其一，一些高分子材料制品呈取向态聚集态结构，赋予了能满足使用求的性能，如纤维、打包带、捆扎用的撕裂膜以及塑料薄膜、塑料瓶、塑料桶等。一般的非取向态高分子材料在合适条件下拉伸时，也可以由非取向态聚集态结构转变为取向态聚集态结构。取向单元可以是大分子和/或链段和/或微晶的某一晶轴或某一晶面；其二，结晶聚合物一般都是晶区、非晶区两相共存，不会是100％的高分子都排入晶格，有“结晶度”这一概念。结晶结构的完整程度比小分子晶体的差，结晶结构完整程度分散性大，结晶形态多样，其中伸直链晶体、串晶、柱晶、纤维晶、捆束晶等都是小分子晶体不具有的。小分子晶体晶格结点上排布的是分子或离子或原子，高分子晶体除极个别的
二．材料力学试验机设计
关于材料力学试验机的设计，笔者懂得甚少，仅结合使用中的感想提出一些粗浅想法。用于材料力学性能测试的试验机，设计时既要依据国家及国际的有关标准，又要尽可能考虑科研工作中一些非标准的测试。例如，有的材料有屈服现象但无明显的屈服点，也应能准确的给出屈服应力、屈服应变。又如，现在用的是工程应力、工程应变，给出的是工程应力－应变曲线，对于应变量小的还可以，有关标准也是这样规定的，但对于相当大应变的，用工程应力、工与实际的偏差就太大了，应该用真应力、真应变以及真应力－真应变曲线。我们在教学时也是这样给学生讲的。如果对于易产生大形变的材料测试时能给出真应力、真应变以及真应力－真应变曲线就太好了。不过，做起来有相当大的难度。用于高分子材料力学性能测试的试验机，设计时要尽可能考虑高分子材料结构、分子运动、力学性能的特殊性，增加一些功能。例如，试验机的框架要高一些。因为我们现在用的试验机，已经达到*大行程了有的试样还没拉断。又如，拉伸弹性模量测得准大形变也能测得准的功能；测定比例极限应力、比例极限应变的功能等。学校用的力学性能测试的试验机，设计时要尽可能考虑操作简便、软硬件保护功能好。因为学校用的力学性能测试的试验机既要服务于科研，又要服务于教学，多人操作，尤其是常会有新手上机，曾出现过传感器被顶坏、把软件捣瘫痪等事故。